I.
Hukum Archimedes
Hukum Archimedes
menyatakan bahwa, sebuah benda yang tercelup sebagian atau seluruhnya ke dalam
zat cair akan mengalami gaya ke atas yang besarnya sama dengan berat zat cair
yang dipindahkannya.
Sebuah benda
yang tenggelam seluruhnya atau sebagian dalam suatu fluida akan mendapatkan
gaya angkat ke atas yang sama besar dengan berat fluida fluida yang
dipindahkan. Besarnya gaya ke atas menurut Hukum Archimedes ditulis dalam
persamaan :
Fa = ρ v g
Keterangan :
Fa = gaya ke
atas (N)
V = volume
benda yang tercelup (m3)
ρ = massa
jenis zat cair (kg/m3)
g =
percepatan gravitasi (N/kg)
Hukum ini
juga bukan suatu hukum fundamental karena dapat diturunkan dari hukum newton
juga.
- Bila gaya
archimedes sama dengan gaya berat W maka resultan gaya = 0 dan benda melayang .
- Bila
FA>W maka benda akan terdorong keatas akan melayang.
- Bila
FA<W maka benda akan terdorong kebawah dan tenggelam.
Berdasarkan
Hukum Archimedes, sebuah benda yang tercelup ke dalam zat cair akan mengalami
dua gaya, yaitu gaya gravitasi atau gaya berat (W) dan gaya ke atas (Fa) dari
zat cair itu. Dalam hal ini ada tiga peristiwa yang berkaitan dengan besarnya
kedua gaya tersebut yaitu seperti berikut.
• Tenggelam
Sebuah benda
yang dicelupkan ke dalam zat cair akan tenggelam jika berat benda (w)
lebih besar
dari gaya ke atas (Fa).
w > Fa
ρb X Vb X g
> ρa X Va X g
ρb > ρa
Volume
bagian benda yang tenggelam bergantung dari rapat massa zat cair (ρ).
• Melayang
Sebuah benda
yang dicelupkan ke dalam zat cair akan melayang jika berat benda (w)
sama dengan
gaya ke atas (Fa) atu benda tersebut tersebut dalam keadaan setimbang.
w = Fa
ρb X Vb X g
= ρa X Va X g
ρb = ρa
Pada 2 benda
atau lebih yang melayang dalam zat cair akan berlaku :
(FA)tot = Wtot
rc . g (V1+V2+V3+V4+…..) = W1 + W2 + W3 + W4 +…..
• Terapung
Sebuah benda
yang dicelupkan ke dalam zat cair akan terapung jika berat benda (w)
lebih kecil
dari gaya ke atas (Fa).
w = Fa
ρb X Vb X g
= ρa X Va X g
ρb < ρa
Misal :
Sepotong gabus ditahan pada dasar bejana berisi zat cair, setelah dilepas,
gabus
tersebut
akan naik ke permukaan zat cair (terapung) karena :
FA > W
rc . Vb .
g > rb . Vb . g
rc $rb
Selisih
antara W dan FA disebut gaya naik (Fn).
Fn =
FA - W
Benda
terapung tentunya dalam keadaan setimbang, sehingga berlaku :
FA’ = W
rc . Vb2 .
g = rb . Vb . g
FA’ = Gaya
ke atas yang dialami oleh bagian benda yang tercelup di dalam zat cair.
Vb1 = Volume
benda yang berada dipermukaan zat cair.
Vb2
= Volume benda yang tercelup di dalam zat cair.
Vb = Vb1 +
Vb 2
FA’
= rc . Vb2 . g
Berat
(massa) benda terapung = berat (massa) zat cair yang dipindahkan
Daya apung
(bouyancy) ada 3 macam, yaitu :
1. Daya
apung positif (positive bouyancy) : bila suatu benda mengapung.
2. Daya
apung negatif (negative bouyancy) : bila suatu benda tenggelam.
3. Daya
apung netral (neutral bouyancy) : bila benda dapat melayang.
Bouyancy
adalah suatu faktor yang sangat penting di dalam penyelaman. Selama
bergerak
dalam air dengan scuba, penyelam harus mempertahankan posisi neutral
bouyancy.
Penerapan
Hukum Archimedes
Setelahnya memahami ilmu tentang pentingnya konsep gaya archimedes
kini kita akan lebih mengetahui seberapa besar ilmu yang ditemukan secara tidak
sengaja ini.Penerapan hukum Archimedes dapat Anda jumpai dalam berbagai
peralatan dari yang sederhana sampai yang canggih, misalnya hidrometer, kapal
laut, kapal selam, galangan kapal, balon udara, dan jembatan ponton.
a.
Hidrometer
Hidrometer merupakan alat untuk
mengukur berat jenis atau massa jeniszat cair. Jika hidrometer dicelupkan ke
dalam zat cair, sebagian alat tersebut akan tenggelam. Makin besar massa jenis
zat cair, Makin sedikit bagian hidrometer yang tenggelam. Hidrometer banyak
digunakan untuk mengetahui besar kandungan air pada bir atau susu.
Hidrometer terbuat dari tabung kaca. Supaya tabung kaca terapung tegak
dalam zat cair, bagian bawah tabung dibebani dengan butiran timbal. Diameter
bagian bawah tabung kaca dibuat lebih besar supaya volume zat cair yang
dipindahkan hidrometer lebih besar. Dengan demikian, dihasilkan gaya ke atas
yang lebih besar dan hidrometer dapat mengapung di dalam zat cair. Tangkai
tabung kaca hidrometer didesain supaya perubahan kecil dalam berat benda yang
dipindahkan (sama artinya dengan perubahan kecil dalam massa jenis zat cair)
menghasilkan perubahan besar pada kedalaman tangki yang tercelup di dalam zat
cair. Artinya perbedaan bacaan pada skala untuk berbagai jenis zat cair menjadi
lebih jelas.
b.
Jembatan
Ponton
Jembatan ponton adalah
kumpulan drum-drum kosong yang berjajar sehingga menyerupai jembatan. Jembatan
ponton merupakan jembatan yang dibuat berdasarkan prinsip benda terapung. Drum
- drum tersebut harus tertutup rapat sehingga tidak ada air yang masuk ke dalamnya.
Jembatan ponton digunakan untuk keperluan darurat. Apabila air pasang, jembatan
naik.Jika air surut, maka jembatan turun. Jadi, tinggi rendahnya jembatan
ponton mengikuti pasang surutnya air.
c.
Kapal
Laut
Pada saat kalian meletakkan sepotong besi
pada bejana berisi air, besi akan tenggelam. Namun, mengapa kapal laut yang
massanya sangat besar tidak tenggelam? Bagaimana konsep fisika dapat
menjelaskannya? Agar kapal laut tidak tenggelam badan kapal harus dibuat
berongga. hal ini bertujuan agar volume air laut yang dipindahkan oleh badan
kapal menjadi lebih besar. Berdasarkan persamaan besarnya gaya apung sebanding
dengan volume zat cair yang dipindahkan, sehingg gaya apungnya menjadi sangat
besar. Gaya apung inilah yang mampu melawan berat kapal, sehingga kapal tetap
dapat mengapung di permukaan laut.
d.
Kapal Selam
dan Galangan Kapal
Pada
dasarnya prinsip kerja kapal selam dan galangan kapal sama. Jika kapal akan
menyelam, maka air laut dimasukkan ke dalam ruang cadangan sehingga berat kapal
bertambah. Pengaturan banyak sedikitnya air laut yang dimasukkan, menyebabkan kapal
selam dapat menyelam pada kedalaman yang dikehendaki. Jika akan mengapung, maka
air laut dikeluarkan dari ruang cadangan.
Berdasarkan
konsep tekanan hidrostastis, kapal selam mempunyai batasan tertentu dalam
menyelam. Jika kapal menyelam terlalu dalam, maka kapal bisa hancur karena
tekanan hidrostatisnya terlalu besar. Untuk memperbaiki kerusakan kapal bagian
bawah, digunakan galangan kapal. Jika kapal akan diperbaiki, galangan kapal
ditenggelamkan dan kapal dimasukkan. Setelah itu galangan diapungkan. Galangan
ditenggelamkan dan diapungkan dengan cara memasukkan dan mengeluarkan air laut
pada ruang cadangan.
II.
Hukum Pascal
Apabila
suatu zat cair yang diam dalam suatu wadah tertutup kemudian dikerjakan suatu
gaya dari luar sebesar F/A , maka tekanan hidrostatik zat cair yang sebelumnya
rhg, menjadi rgh + F/A, rumus ini berlaku untuk semua nilai h. Perhatikan
gambar di bawah ini.
Suatu wadah
tertutup yang berisi zat cair diberi tekanan sebesar F/A
Gambar di
atas dapat dijelaskan menggunakan hukum pascal yang berbunyi :
Tekanan yang
diberikan pada zat cair di dalam ruang tertutup akan diteruskan kesegala arah
dan semua bagian ruang tersebut dengan sama besar.
Hukum Pascal
dinyatakan oleh seorang ahli matematika dan fisika berkembangsaan Prancis Blaise Pascal (1623 – 1662).
Hukum ini terlahir dari suatu percobaan yang dilakukan oleh Pascal menggunakan
alat penyemprot atau pesawat Pascal seperti tampak pada gambar di bawah ini .
Dari hasil
percobaan , ketika batang penghisap ditekan , air yang berada di dalam tabung
tertekan ke segala arah sehingga air menyembur ke luar melalui lubang – lubang
pada tabung . Semburan air yang keluar dari lubang – lubang tersebut tekanannya
sama rata.
Prinsip
hukum Pascal ini banyak digunakan untuk membuat peralatan hidrolik, seperti
dongkrak hidrolik, pompa hidrolik, rem hidrolik dan mesin pengepres hidrolik.
Prinsip ini digunakan karena dapat memberikan gaya yang kecil untuk
menghasilkan gaya yang besar.
Sebuah
contoh pemakaian hukum Pascal yaitu pada dongkrak hidrolik, yang prinsipnya
ditunjukkan pada gambar berikut.
Alat ini
berupa bejana tertutup yang dilengkapi dengan dua buah penghisap pada kedua
kakinya. Misalnya luas penampang penghisap A1 dan luas penampang 2 adalah A2
dengan A1 < A2. Jika penghisap 1 diberi gaya F1 ke bawah, maka zat cair yang
berada dalam dalam bejana tersebut akan mengalami tekanan P1 sebesar F1/A1.
Berdasarkan hukum Pascal , tekanan P1 akan
diteruskan kesegala arah dengan sama besar ke penghisap 2 dengan luas penampang
A2 menerima tekanan P1. Seandainya gaya yang dihasilkan oleh tekanan P1pada
penampang A2 adalah F2, maka akan diperoleh persamaan sebagai berikut.
Karena A2
> A1 maka F2 > F1 , hal ini yang menyebabkan gaya yang bekerja pada
penampang A2 menjadi lebih besar.
Penerapan
Hukum Pascal
1. Dongkrak hidrolik
Prinsip kerja :
Prinsip kerja dongkrak hidrolik adalah dengan memanfaatkan
hukum Pascal.
Dongkrak hidrolik terdiri dari dua tabung yang berhubungan yang memiliki
diameter yang berbeda ukurannya. Masing-masing ditutup dan diisi air. Dengan
menaik turunkan piston, maka tekanan pada tabung pertama akan dipindahkan ke
tabung kedua sehingga dapat mengangkat beban yang berat. Definisi dongkrak
hidrolik adalah jenis pesawat dengan prinsip hukum pascal yang berguna untuk
memperingan kerja. Dongkrak ini merupakan system bejana berhubungan (2 tabung)
yang berbeda luas penampangnya. Dengan menaik turunkan piston, maka tekanan
pada tabung pertama akan dipindahkan ke tabung kedua sehingga dapat mengangkat
beban yang berat.
2. Tensimeter atau Sfigmomanometer
Prinsip kerja:
Cairan yang tekanannya akan diukur harus
memiliki berat jenis yang lebih rendah dibanding cairan manometrik, oleh karena
itu pada alat pengukur tekanan darah dipilih air raksa sebagai cairan
manometrik karena air raksa memiliki berat jenis yang lebih besar dibandingkan
dengan berat jenis darah.
Berikut skema pengukuran tekanan menggunakan
manometer. Tekanan dalam fluida statis adalah sama pada setiap tingkat
horisontal (ketinggian) yang sama sehingga: Untuk lengan tangan kiri manometer .Untuk
lengan tangan kanan manometer. Karena disini kita mengukur tekanan tolok (gauge
pressure), kita dapat menghilangkan P Atmosfer .Sehingga dari persamaan
tersebut dapat diambil kesimpulan bahwa tekanan pada A sama dengan tekanan
cairan manometrik pada ketinggian h2 dikurangi tekanan cairan yang diukur pada
ketinggian h1.
Dalam kasus alat pengukur tekanan darah yang
menggunakan air raksa, berarti tekanan darah dapat diukur dengan menghitung
berat jenis air raksa dikali gravitasi dan ketinggian air raksa kemudian
dikurangi berat jenis darah dikalikan gravitasi dan ketinggian darah.
3. Rem Hidrolik
Prinsip kerja:
Pada rem hidrolik terdapat pipa-pipa hidrolik
yang berisi cairan berupaminyak rem. Pada ujung-ujung pipa ini terdapat piston
penggerak yaitu pistonpedal dan piston cakram. Pipa dan piston inilah yang
memegang peranan pentingdimana konsep dan sterukturnya telah didesain
sedemikian rupa sehingga sesuaidengan hukum pascal, dengan tujuan menghasilkan
daya cengkram yang besardari penginjakan pedal rem yang tidak terlalu dalam.
Penyesuaian terhadap hukum pascal yang dimaksud
adalah dengan mendesain agar pipa pada pedal rem lebih kecil daripada pipa yang
terhubung dengen piston cakram. Saat pedal rem diinjak pedal yang terhubung
dengan booster rem akan mendorong piston pedal dalam sehingga minyak rem yang
berada pada pipa akan mendapatkan tekanan. Tekanan yang didapat dari pedal akan
diteruskan ke segalaarah di permukaan pipa termasuk ujung-ujung pipa yang
terhubung dengan piston cakram. Saat pedal rem diinjak pedal yang
terhubung dengan booster rem akan mendorong piston pedal dalam sehingga minyak
rem yang berada pada pipa akan mendapatkan tekanan. Tekanan yang didapat dari
pedal akan diteruskan ke segala arah di permukaan pipa termasuk ujung-ujung
pipa yang terhubung dengan piston cakram.
Karena luas permukaan piston cakram lebih
besar daripada piston pedal maka gaya yang tadinya digunakan untuk menginjak
pedal rem akan diteruskan ke piston cakram yang terhubung dengan kanvas rem
dengan jauh lebih besar sehingga gaya untuk mencengkram cakram akan lebih besar
pula. Cakram yang bersinggungan dengan kanvas rem akan menghasilkan gaya gesek,
dan gaya gesek adalah gaya yang bernilai negative maka dari itu cakram
yang ikut berputar bersama roda semakin lama perputarannya akan semakin pelan,
dan inilah yang disebut dengan proses pengereman. Selain itu karena diameter
dari cakram yang lebih lebar juga ikut membantu proses pengereman. Hal itulah
yang menyebabkan system kerja rem cakram hidrolik lebih efektif daripada rem
konvensional (rem tromol).
4. Pompa Hidrolik
Prinsip kerja:
Pompa hidrolik menggunakan kinetik energi
dari cairan yang dipompakan pada suatu kolom dan energi tersebut diberikan
pukulan yang tiba-tiba menjadi energi yang berbentuk lain (energi tekan). Pompa
ini berfungsi untuk mentransfer energi mekanik menjadi energi hidrolik. Pompa
hidrolik bekerja dengan cara menghisap oli dari tangki hidrolik dan
mendorongnya kedalam sistem hidrolik dalam bentuk aliran (flow). Aliran ini yang
dimanfaatkan dengan cara merubahnya menjadi tekanan. Tekanan dihasilkan dengan
cara menghambat aliran oli dalam sistem hidrolik.
Hambatan ini dapat disebabkan oleh orifice,
silinder, motor hidrolik, dan aktuator. Pompa hidrolik yang biasa digunakan ada
dua macam yaitu positive dan nonpositive displacement pump
(Aziz, 2009). Ada dua macam peralatan yang biasanya digunakan dalam merubah
energi hidrolik menjadi energi mekanik yaitu motor hidrolik dan aktuator. Motor
hidrolik mentransfer energi hidrolik menjadi energi mekanik dengan cara memanfaatkan
aliran oli dalam sistem merubahnya menjadi energi putaran yang dimanfaatkan
untuk menggerakan roda, transmisi, pompa dan lain-lain.
5. Alat press hidrolik
Prinsip kerja:
Press hidrolik tergantung pada prinsip Pascal
: yang tekanan seluruh sistem tertutup adalah konstan. Salah satu bagian dari
sistem adalah piston bertindak sebagai pompa, dengan kekuatan mekanik sederhana
yang bekerja pada luas penampang kecil, bagian lain adalah piston dengan luas
yang lebih besar yang menghasilkan kekuatan mekanis Sejalan besar. Hanya
berdiameter kecil pipa (yang lebih mudah menolak tekanan) diperlukan jika pompa
dipisahkan dari silinder tekan.
Hukum Pascal: Tekanan pada fluida terbatas
ditransmisikan berkurang dan bertindak dengan kekuatan yang sama pada bidang
yang sama dan pada 90 derajat ke dinding kontainer.
Sebuah cairan, seperti minyak , dipindahkan
ketika piston baik didorong ke dalam. Piston kecil, untuk jarak tertentu
gerakan, memindahkan jumlah yang lebih kecil dari volume yang dari piston
besar, yang sebanding dengan rasio area kepala piston. Oleh karena itu, piston
kecil harus dipindahkan jarak besar untuk mendapatkan piston besar untuk
bergerak secara signifikan. Jarak piston besar akan bergerak adalah jarak yang
piston kecil akan dipindahkan dibagi dengan rasio bidang kepala piston. Ini
adalah bagaimana energi, dalam bentuk kerja dalam hal ini, adalah kekal dan
Hukum Konservasi Energi puas. Pekerjaan kali kekuatan jarak, dan karena kekuatan
meningkat pada piston lebih besar, jarak kekuatan diterapkan atas harus
berkurang.
Cairan bertekanan digunakan, jika tidak
dihasilkan secara lokal oleh tangan atau pompa mekanis bertenaga, dapat
diperoleh dengan membuka katup yang terhubung ke akumulator hidrolik atau pompa
terus berjalan tekanan yang diatur oleh katup buang. Bila diinginkan untuk
menghasilkan kekuatan yang lebih dari tekanan yang tersedia akan memungkinkan,
atau menggunakan lebih kecil, lebih tinggi tekanan silinder untuk menghemat
ukuran dan berat, sebuah intensifier hidrolik dapat digunakan untuk
meningkatkan tekanan yang bekerja pada silinder tekan.
Ketika tekanan pada silinder tekan dilepaskan
(cairan kembali ke reservoir), gaya dibuat dalam pers dikurangi menjadi nilai
yang rendah (yang tergantung pada gesekan segel silinder itu. Piston utama
tidak menarik kembali ke aslinya posisi kecuali sebuah mekanisme tambahan
digunakan.
